紫外線強化Fenton試劑法處理苯酚廢水的試驗研究

白靖銘

(沈陽建筑大學 市政與環境工程學院， 遼寧 沈陽 110168)

苯酚廢水難降解、毒性大[1]，目前常用的處理方法有物理法[2-4]、生物法[5]和化學法[6-8]。物理法和生物法均存在處理時間周期長、效果不佳等缺點，化學法中的Fenton試劑法對于難降解的工業廢水有較好的處理效果，但投藥量大且成本高等不足限制了其應用和發展。紫外線強化Fenton法是將紫外線和Fenton試劑法兩種技術相結合[9]，能更好地去除有機物，在減少藥劑投加量的同時提高去除率[10]。

1 紫外線強化對H2O2投加量的影響

在室溫條件下，分別向7個燒杯中均勻加入400 mL試驗水樣(COD為470 mg/L)。調節pH值為3，隨后向每個燒杯中投加500 mg FeSO4·7H2O，將其充分溶解后，再向燒杯中分別加入0.8，1.6，3.2，4.8，6.4，8和9.6 mL/L質量濃度為30%的H2O2(即分別為理論投加量Qth的0.25，0.5，1，1.5，2，2.5和3倍)。將燒杯放置在紫外光燈下1 cm處反應60 min后，關閉紫外光燈，調節溶液pH值至11，終止反應并靜止至室溫，取上清液測定COD，重復3次取平均值。試驗過程中，注意觀察反應溶液的顏色和狀態。

從圖1可以看出，采用紫外線強化Fenton試劑法處理苯酚廢水，H2O2加入量小于1.5Qth(4.8 mL/L)時，去除率隨投加量的增加上升幅度較大，直至COD去除率達到最佳值85.69%。繼續增大H2O2投加量，COD反而有一定程度的下降。

圖1 紫外線強化對H2O2投加量的影響Fig.1 Effect of UV on dosage of H2O2

這是因為，H2O2既可以分解為·OH以氧化去除有機物，又能消耗部分·OH導致處理效果下降。當H2O2加入量較低時，其在紫外線作用下分解生成·OH的量也較少，不利于苯酚的去除。隨著投加量的上升，紫外光和Fe2+均促進了H2O2迅速分解，COD去除率提高。但是在紫外光和Fe2+的作用下，H2O2可以在極短的時間內分解生成·OH。一方面，高濃度的H2O2與·OH進行反應，易生成氧化能力較弱的物質，導致氧化效率不斷降低；另一方面，高濃度的·OH容易與未參加反應的·OH相互碰撞并發生自身的湮滅反應，減少·OH的量。相關反應如下：

H2O2+UV→2·OH

(1)

H2O2+·OH→HO2·+H2O

(2)

·OH+HO2·→H2O+O2↑

(3)

2·OH+2·OH→2H2O+O2↑

(4)

在H2O2投加均為2.0Qth的情況下，紫外線強化Fenton試劑法對苯酚廢水的處理效果明顯優于無紫外線時：此時，Fenton試劑法的COD去除率最佳，為74.96%；而紫外線強化Fenton試劑法的COD去除率可達到83.76%。這是因為紫外光和Fe2+對催化分解H2O2存在協同作用，使H2O2的分解速度大于簡單的Fe2+或紫外線催化H2O2分解速率之和，加速了Fe2+與H2O2的反應，使其快速生成·OH，提高了H2O2的利用率并減少了H2O2的加入量，加速了反應的進行。

在相同的試驗條件下，采用紫外線強化Fenton試劑法處理苯酚廢水，H2O2投加量為1.0Qth(即3.2 mL/L)時的COD去除率為74.33%，接近2.0Qth投加量時無紫外線強化的處理效果。紫外線強化Fenton試劑法處理苯酚廢水，不僅可以提高處理效果，而且還能節省H2O2的投加量，降低了處理成本。

2 紫外線強化對FeSO4·7H2O投加量的影響

在室溫條件下，分別向7個燒杯中均勻加入400 mL試驗水樣(COD含量為471 mg/L)。調節水樣的pH值至3，隨后向每個燒杯中分別投加100，200，300，400，500，600和700 mg FeSO4·7H2O，待其充分溶解后，再向各個燒杯中加入6.4 mL/L質量濃度為30%的H2O2(即2.0Qth)進行試驗，結果見圖2。

圖2 紫外線強化對FeSO4·7H2O投加量的影響Fig.2 Effect of UV on dosage of FeSO4·7H2O

采用紫外線強化Fenton試劑法處理苯酚廢水時，COD去除率隨FeSO4·7H2O投加量呈現先升高后降低的趨勢。當FeSO4·7H2O投加量為1 g/L時，達到最佳去除率84.88%。繼續提高加入量，去除率反而會下降。

分析認為，Fe2+在Fenton試劑法中起著催化H2O2和傳遞氧的作用，所以FeSO4·7H2O的加入量會影響整個反應的去除效果和反應速度。當FeSO4·7H2O投加量小于1 g/L時，紫外光和Fe2+催化H2O2產生·OH的量不足以使反應完全進行，因此COD去除率不高。進一步提高加入量，Fe3+在紫外線的光敏化作用和光脫羧作用下轉化為Fe2+，并參與新一輪的Fenton反應，使反應循環進行。但FeSO4·7H2O投加量也不宜過大，因為當溶液中Fe2+濃度較高時，會使H2O2的分解速率過快，導致·OH還未來得及反應就發生了自身湮滅，減少了·OH的量，削弱了反應效果，相關反應如下：

Fe(OH)2++UV→Fe2++·OH

(5)

Fe(RCOO)2++UV→Fe2++·R+CO2

(6)

2·OH+2·OH→2H2O+O2↑

(7)

紫外線強化對FeSO4·7H2O加入量也有影響。在FeSO4·7H2O加入量均為1.25 mg/L的情況下，有紫外線強化對苯酚廢水的處理效果要明顯優于沒有紫外線強化的反應。當FeSO4·7H2O加入量為1.25 g/L時，單獨Fenton試劑法對COD的去除率最佳(73.87%)，而相同投加量下紫外線強化Fenton試劑法的COD去除率為82.98%。這是因為，在紫外線的光敏化作用和光脫羧作用下，由Fe3+水解生成Fe(OH)2+和羧酸鐵絡合物可以在紫外光的作用下分解為Fe2+和·OH，將Fe3+部分轉化為Fe2+，并參加新一輪的Fenton反應，使反應循環進行。該反應不僅可以更充分利用Fe2+，還加快了H2O2的分解，并維護了Fe2+和Fe3+之間的濃度平衡，使反應可以持續進行。

紫外線可以加強Fenton試劑法對苯酚的去除效果，FeSO4·7H2O投加量為0.75 g/L時的去除率與單獨Fenton試劑法下投加量為1.25 g/L去除率相當。這說明紫外線可以對Fenton試劑法產生強化作用，不但能加快Fe2+和Fe3+之間的轉化循環，使溶液中的Fe2+與更多的H2O2反應，而且還提高了紫外光和H2O2的利用率，使其對有機物的處理效果更好。

3 結語

① 采用紫外線強化Fenton試劑法對苯酚廢水進行處理，結果表明：對于COD濃度為470 mg/L的苯酚廢水，在H2O2投加量為2.0Qth，FeSO4·7H2O投加量為1.25 g/L，pH值為3的條件下，反應60 min后COD去除率可達83.37%。

② 紫外線不但能強化Fenton試劑法對苯酚廢水的處理效果，而且能節省H2O2的投加量，降低處理成本。